超声便携式设备原理及系统划分详解

系统，已具有系统划分的多种方法。在本节中将讨论多种超声系统划分策略，所有这些划分策略均着眼于解决系统便携性的问题。

　　许多年来，制造商通过设计定制ASIC来实现复杂的系统。该解决方案通常包括两个ASIC，其涵盖了TGC路径和Rx/Tx路径的主要部分，如图4所示。在多通道VGA、ADC和DAC广泛使用之前，这一方法是常见的。该定制电路允许设计人员加入一些廉价的、灵活的功能。由于集成大部分的信号链路，减少了系统中使用外部元件的数目，因此该解决方案被认为是节约成本的。但是其缺点在于，随着时间的推移，光刻技术的发展使得这些ASIC显得落后，不能满足进一步减小体积和功耗的需求。ASIC具有大量的门电路，它们的数字技术不能针对集成模拟功能进行优化。而且仅有有限的供应商可以定制ASIC器件，这将导致设计者面临一个瓶颈。

　　图4. ASIC方法

　　在前面的示例中，超声系统的便携性是有局限性的，但的确是可行的。即便这样，这也是解决系统划分问题的重要的第一步。便携性不仅表现在体积方面，而且也表现在电池寿命方面，因为这些电路对功耗的要求非常高。随着四通道和八通道的TGC、ADC和DAC的出现，体积和功耗得到进一步减小，也随之产生了解决便携性问题的新型的系统方法。这些多通道器件允许设计人员在构造系统时，将敏感电路放置在两个或更多的电路板上。这可以减小系统体积，并且有利于在多个开发平台上重复利用该电路。但是这一方法也存在缺点，系统体积减小也依赖于系统划分，多通道器件可能使PCB的布线极为繁琐，迫使设计人员使用通道数目较少的器件，例如从八通道ADC变为四通道ADC，而且如果系统体积较小，还会带来散热的问题。

　　随着完整的 TGC路径的进一步集成，如图5中所示，多通道、多元件的集成使设计变得更加容易，这是因为它们对PCB尺寸和功耗的要求进一步降低。随着更高级的集成方案的广泛使用，可以进一步减少成本、供应商数量、系统体积和功耗，系统散热量降低，延长便携式单元中的电池寿命。ADI公司的AD9271超声子系统为满足紧凑性要求而设计，它采用微型的14 mm×14 mm×1.2 mm封装，每个完整的TGC通道在40 MSPS下功耗仅为150 mW。AD9271使用串行I/O接口以减少引脚数目，因此使每个通道的总面积至少减少1/3，功耗至少降低25%。

　　图5. TGC集成

　　但是AD9271不可能满足每个超声系统设计人员的要求。理想的解决方案是将更多的功能单元集成到探针中，或者使其尽可能接近探针元件。需要注意的是：连接探针单元的电缆会对动态范围有些不良影响，而且成本较高。如果前端电子元件比较接近探针，那么就可以减少影响信号灵敏度的探针损耗，允许设计人员降低系统对LNA的要求。图6中提出了一种方法，即将LNA集成到探针单元中。另一种方法是将VGA控制放在探针和电路板上的、元件之间。随着器件的尺寸不断缩小，系统也可以封装到超小型封装中。但是这种方法的缺点在于，设计人员需要对探针进行全定制设计。换言之，探针/电子器件的定制设计将使设计人员回到ASIC实例中存在的瓶颈，而且供应商是有限的。

　　图6. 探针集成

　　总而言之，应当称赞的是，现今大部分超声系统公司将其大部分知识产权（IP）应用于探针和波束成形技术。使用多通道集成的常用器件，包括四通道和八通道ADC来完成系统，消除了对高成本元器件的需要，而且简化了独立TGC路径的调整和优化。还应当注意，也可以考虑进一步集成超声系统的其它部分。在生产能力许可且市场导向目标适当的前提下，这些其它信号链路部分的集成将是有利的。

　　超声系统的便携性趋势

　　许多应用都意识到超声的优异之处，因此对超声系统的便携性有很高的要求。即使在无法提供可靠电源的远程应用中，由于增加的便携性，也可以使用这些设备。这些应用包括偏远乡村的临床医疗、紧急医疗服务、大型动物饲养、以及桥梁、大型机械和输油管线的检验。

超声系统可以分为三类：高端、中端和低端。高端超声系统采用最新的技术，满足市场最新的要求，并且提供最佳的图像质量。中端超声系统在不牺牲图像质量的前提下，通常具有高端超声系统的部分特性。而低端超声系统的体积一般较小，一般应用于临床医疗等特定应用。显然，高端超声系统是非常昂贵的，并且依赖于应用和市场需求进行不同的划分。然而，便携性的趋势使许多"高端"特征降级，通常为典型的低端或便携的特征。一般来说，这一趋势随着工业和电子行业的技术进步而发展。由于这些进步已将器件的体积、功耗和性能指标推到极限，因此日益增长的要求是将便携